DE2621301A1

DE2621301A1 - Selbstsynchronisierbarer synchronmotor

Info

Publication number: DE2621301A1
Application number: DE19762621301
Authority: DE
Inventors: Alain Salmon
Original assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Current assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1976-12-09
Also published as: CH607432A5; IT1063215B; GB1552694A; FR2324150B1; FR2324150A1

Description

PATENTANWÄLTE 9 R 9 1 ^ fi 1

DR. ING. ERNST SOMMERFELD DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

D-8 MUENCHEN 86

MARIA-TIIEnESIA-STRASSE 22 FOSTfACH 880068

Anmelder: ,

TELEFON 089/47βθ0β

GEM - COMPAGNIB ELECTRO-MECANIQUE *^7β819

TELEX 522638

12, rue Portalis
F-75008 PARIS

TTNSEH ZEICHEN / OUH HEF. MÜNCHEN

9849-76 13.Mai 1976

Selbstsynchronisierbarer Synchronmotor

Die vorliegende Erfindung "betrifft einen selbstsynchronisierbaren Synchronmotor, insbesondere einen Rotor für einen solchen Motor. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit Synchronmotoren, bei welchen der Rotor, vorgesehen mit Permanentmagneten, einen Käfig analog demjenigen eines gewöhnlichen Asynchronmotors enthält, derart, daß er durch Induktionswirkung anlaufen kann, bis eine ausreichende Drehzahl erreicht wird, um sich unter der Wirkung des magnetischen G-leichfeldes, das durch die Magneten erzeugt wird, zu synchronisieren.

Bekanntermaßen erfordern verschiedene Industriezweige erhöhte Drehzahlen, die vorzugsweise direkt mit Hilfe von geeigneten Motoren, insbesondere von Synchronmotoren der infrage stehenden Art, realisiert werden, wenigstens, wenn diese Drehzahlen in präziser Form gewährleistet werden müssen.

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Oberhalb von 3000 U/min (oder von 3200 im Falle von Hetzen mit 60 Perioden) muß man eine statische Versorgungsquelle mit fester oder veränderlicher Frequenz vorsehen. Demzufolge haben die Eigenschaften der Motoren (Wirkungsgrad, Leistungsfaktor, Anlaßintensität) einen starken Einfluß auf die Kosten der Anlage. Darüber hinaus müssen solche Motoren einen robusten Rotor aufweisen, der ein ausgezeichnetes mechanisches Verhalten zeigt.

Es gibt Rotoren mit Ferritmagneten, die jedoch auf kleine Drehmomente beschränkt sind und deren Drehzahlen 10 000 TJ/min nicht erreichen.

Es wird angemerkt, daß das Auftreten von Magneten auf der Basis von Kobalt und seltenen Erden die Möglichkeiten im Bereich des Magnetismus erheblieh verbessert hat.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, selbstsynchronisierbare Synchronmotoren mit einem Rotor mit flachen Permanentmagneten zu schaffen, die bei sehr großen Drehzahlen mit ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften arbeiten.

Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Rotor für eine selbstsynchronisierbaren Synchronmotor erreicht durch ein den magnetischen Fluß leitendes Bauteil in Form eines Läufersterns mit einer Anzahl von Armen, wobei das Bauteil drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, flache Permanentmagneten, die gegen die Seitenflächen eines jeden Armes des Läufersternes stoßen, Zwischenbauteile, die zwischen den aufeinanderfolgenden Armen des Läufersterns derart angeordnet sind, daß sie gegen die den Armen entgegengesetzten Seitenflächen der Magnete stoßen, wobei die Magnete derart ausgerichtet sind, um eine Reihe von alternierenden Polen auf dem Umfang des

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Rotors zu bilden, und durch einen Käfiganker, dessen Stäbe am Umfang der Zwischenbauteile und/oder der Arme des Läufersterns angeordnete Nuten durchqueren.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet _t daß die beiden gegen die Seitenflächen eines jeden Armes des Läufersterns stoßenden Magnete untereinander bezüglich ihrer Polarität im umgekehrter Sinn ausgerichtet sind, derart, daß die Pole des Rotors rechtwinklig zu den Zwischenbauteilen auftreten, die daher die Rolle von Polschuhen einnehmen. Mit einer solchen Anordnung durchquert der durch die Magnete erzeugte Fluß jeden Arm des Läufersterns gemäß einer Richtung im wesentlichen quer im Verhältnis zur radialen Achse des entsprechenden Armes. Der Fluß durchquert die Polschuhe und schließt sich über den Stator, in dem er zweimal den Luftspalt durchquert.

Das Festhalten der verschiedenen, den Rotor bildenden Teile am Platze kann auf jede geeignete Weise gewährleistet werden. Für kleine Drehzahlen kann die Verbindung zur Zurückhaltung der Polschuhe auf dem Läuferstern durch den Käfiganker selbst verwirklicht werden, der durch Gießen oder Montage etabliert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden am Ende der Gesamtheit dieser Teile zwei Backen bzw. Platten angeordnet, welche die Zentrifugalkräfte, die auf die Polschuhe und die Magneten ausgeübt werden, aufnehmen können. Die Platten werden miteinander durch longitudinale Querstreben, welche die Polschuhe durchqueren, verbunden, wobei die Platten von peripheren Nuten ausgeschnitten sind, die derart vorgesehen und angeordnet sind, daß sie denjenigen des Läufersterns und der Polschuhe entsprechen, um den Durchgang der Stäbe des Käfigs zu ermöglichen. Die longitudinalen Querstreben sind vorteilhafterweise in Form von Nieten ausgeführt.

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Um die Länge der Querstreben oder Nieten zu beschränken, insbesondere im Falle von Motoren, die mit sehr großen Drehzahlen laufen sollen,kann man eine Unterteilung des Rotors in mehrere aufeinanderfolgende Elemente mit zwei seitlichen Platten vorsehen, wobei diese Elemente untereinander in axialer Richtung befestigt sind.

Diese Unterteilung des Rotors stellt darüber hinaus einen erheblichen, im folgenden erläuterten Vorteil dar.

Für ein gutes Funktionieren werden die Statornuten im Verhältnis zu den Nuten und Polen dee Rotors vorzugsweise geneigt. Bei den gewöhnlichen Maschinen zum Bewickeln der Statoren ist es praktisch unmöglich, mit im Verhältnis zu den Mantellinien geneigten Nuten zu arbeiten. Man muß daher gezwungenermaßen die Neigung auf dem Rotor aufbringen. Bei einem Rotor der vorliegenden Art würde jedoch eine solche Neigung die schwierige und kostspielige Vermeidung von Magneten gekrümmter Form, die an die Neigung angepaßt ist, nach sich ziehen.

Diese Schwierigkeiten können leicht durch Unterteilung des Rotors behoben werden. Es genügt in der Tat, die aufeinanderfolgenden Elemente dieses Rotors geringfügig zu verschieben und die Stäbe des Käfigs durch diesen in die nicht perfekt ausgerichteten Nuten auszubilden. Diese Verschiebung wird

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vorteilhafter zwischen den Platten und den Einheiten, die sie umgeben, derart aufgeteilt, daß die Nuten einer jeden Platte nur geringfügig im Verhältnis zu demjenigen der Polschuhe und des Läufersterns verschoben sind, derart, daß der Verechiebungswinkel, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Grundrotoren vorgesehen ist, durch zwei aufeinanderfolgende

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Winkelverschiebungen erhalten wird, deren Wert jeweils zweimal kleiner ist. Die durch die Verschiebung hervorgerufene lokale Einführung des Querschnitts der State wird hierdurch auf einen vernachlässigtiaren Wert reduziert.

Jede Platte kann in vorteilhaftereWeise Löcher aufweisen, die zur Aufnahme von Köpfen von Nieten bestimmt sind, die der "benachbarten Platte zugeordnet sind, wodurch die korrekte Indexierung der aufeinanderfolgenden Elemente gewährleistet ist. Durch vernünftige Anordnung dieser Löcher und derjenigen, die für den Durchgang der Nieten bestimmt sind, kann erreicht werden, daß eine einzige Ausführungsform der Platte für die Herstellung des Rotors benutzt werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt durch einen Rotor gemäß der Erfindung, ausgeführt in lameliierter form,

Fig. 2 eine seitliche Platte eines solchen Rotors, Fig. 3 die gleiche, um 180° gedrehte Platte,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf einen Rotor aus mehreren Elementen mit Platten gemäß Fig. 2 und 3,

Fig. 5 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines Rotors gemäß der Erfindung,

Fig. 6 einen Teillängsschnitt, und

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Fig. 7 eine Detailansicht einer seitlichen Platte mit einer herunterklappbaren Halteklappe eines Magneten.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Rotor weist einen Lauferstem auf, der aus vier Armen 1 besteht, die einstückig mit einem Mittelteil 2 ausgebildet sind, der in geeigneter Weise an der Stelle 3 für den Durchgang der Welle gelocht ist, wobei der Läuferstern in lameliierter Form durch ein Paket von in sachgemäßer Weise abgeschnittenen Blechen ausgeführt ist. Es wird angemerkt, daß die Arme 1, die trapezförmig ausgebildet sind, an ihrem äußeren Ende (das dem Kreisumfang des Rotors entspricht) Nuten 4 aufweisen, die in geschlossener Form dargestellt sind, die jedoch ebenfalls offen sein können. Dieses kreisbogenförmige Ende eines jeden Armes 1 ist außerdem mit zwei einstückigen seitlichen Nasen 5 versehen.

Gegen jede der Seitenflächen eines jeden Armes 1 stößt ein flacher Magnet 6, der in Richtung seiner Dicke magnetisiert ist, wie durch die Pfeile S und IT angezeigt ist, die den Polseiten Süden und Norden entsprechen. Wie in Fig. 1 deutlich gezeigt ist, sind die Polaritäten gegenüber dem Arm 1 entgegengesetzt. Diese Magnete werden durch die Nasen 5 und durch einen unmagnetischen Keil 7 mit dreieckförmigem Profil, der am Boden des Raumes in Form eines stumpfen Winkels, der die aufeinanderfolgenden Arme 1 trennt, angeordnet ist, gehalten. Es wird angemerkt, daß der Keil 7 weggelassen werden könnte, wenn die sich gegenüberliegenden Seiten der Magnete unter einem solchen Winkel ausgebildet wären, daß sie gegeneinander stßen.

Gegen die zu den Armen 1 entgegengesetzten Flächen der Magnete stoßen Polschuhe 8 in Breiecksform mit stumpfem

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Spitzenwinkel und kreisförmig abgerundeter Basis, deren Krümmungsradius für den Rotor gewünscht wird und demjenigen der Enden der Arme des Laufersternes entspricht. Die Polschuhe, die ebenfalls in lamellierter Form ausgeführt sind, weisen periphere Nuten 9 auf, die den Nuten der Arme 1 des Läufersternes ähnlich sind. Die Polschuhe sind mit vier Löchern versehen, d.h. zwei Löchern 10, die auf der radialen Polachse entsprechend dem betrachteten Polschuh angeordnet sind, und zwei andere Löcher 11, die auf einem konzentrischen Kreisbogen des Rotors beiderseits der oben zitierten Achse angeordnet sind.

Es wird angemerkt, daß die beiden demselben Polschuh 8 benachbarten Magnete 6 diesem gegenüberlFlächen gleicher Polarität aufweisen, derart, daß man, wenn man dem Umfang des Rotors folgt, abwechselnd einen Nord-Polschuh, dann einen Süd-Polschuh, dann einen anderen Nord-Polschuh und schließlich einen vierten Süd-Polschuh findet, wobei das Ganze eine Einheit mit zwei Polachsen N-N, S-S und vier Polen darstellt.

Bei Rotoren mit geringer Drehzahl können die Polschuhe lediglich durch den Käfiganker gehalten sein, der weiter unten beschrieben wird. TJm die mechanische Ausführung zu erleichtern, wird vorzugsweise die dargestellte Lösung verwendet, die für große Drehzahlen vorgesehen ist.

Gemäß dieser Lösung wird die oben beschriebene Gesamtheit von zwei seitlichen Backen bzw. Platten umgeben, die miteinander z.B. durch Nieten 12 verbunden sind, di^mehr oder weniger zwangsweise verschiedene Löcher der Löcher 10 und durchqueren, wobei diese Platten mit peripheren Nuten versehen sind, die den Nuten 4 und 9 der genannten Gesamtheit entsprechen. Das Ganze wird im nachfolgenden im einzelnen beschrieben.

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Man ordnet in den Nuten 4 und 9 die Stäbe eines Käfigankers an, wobei diese Stäbe (in Pig. 1 nicht gezeigt) die Nuten der seitlichen Platten durchqueren, um in bekannter Weise an zwei Kurzschlußringe zu stoßen, die gegen die Außenseite der Platten vorgesehen sind.

Wenn der so aufgebaute Rotor in einen entsprechenden gewickelten Stator eingebaut ist, wird eine Synchronmaschine mit Permanentmagneten und Käfiganker realisiert, die als Induktionsmotor anlaufen kann und sich anschließend mit dem Drehfeld des Stators synchronisiert, wenn die erzielte Drehzahl ausreichend ist. Die Magnete 6, deren Masse relativ gering ist, werden vollständig gegen die Zentrifugalkraft durch die Nasen 5 und die Polschuhe 8 gehalten, welche ihrerseits durch die Nieten und die seitlichen Platten unter Beteiligung des Käfigs gehalten werden. Diese Befestigung kann in vorteilhafter Weise vervollständigtwerden, indem die Magnete auf die Arme 1 und die Polschuhe 8 geklebt werden oder mit geeigneten Kunststoffen imprägniert werden.

Bei einem solchen Aufbau können die Nieten 12 eine möglichst kleine Länge aufweisen. Hierfür kann der Rotor in mehrere Grundrotoren aufgeteilt werden, die gegeneinander angeordnet sind, z.B. durch zwangsweise Montage auf der Welle, wobei jeder seine zwei Platten und seine Verbindungsnieten aufweist. Es ist nunmehr möglich, diese aufeinanderfolgenden Grundrotoren winkelmäßig um einen kleinen Winkel derart zu verschieben, daß schließlich das Äquivalent eines klassischen Rotors mit schräg ausgerichteten Nuten verwirklicht wird, derart, daß ein Ende einer jeden Nut um einen Schritt im Verhältnis zur anderen verschoben ist.

In den Fig. 2 bis 4 ist eine solche Anordnung dargestellt. Es

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wird angemerkt, daß hier die eine der Nuten 13 der Platte (Nuten entsprechend den Nuten 9 der Polschuhe 8) um einen kleinen Winkel im Verhältnis zur Polachse N-N oder S-S verschoben ist, während das Paar von Löchern 15> die den Löchern 11 der Polschuhe 8 entsprechen sollen, um den gleichen Winkel verschoben ist, aber in entgegengesetzter Richtung. Darüber hinaus wird angemerkt, daß in jeder Gruppe von zwei Löchern 15 und von zwei Löchern 16 (die letzteren entsprechen den Löchern 10 der Polschuhe 8) der Durchmesser der Löcher eines der Paare größer ist als derjenige der Löcher des anderen Paares, wobei sich die Anordnung umkehrt, wenn man von einer Gruppe zur folgenden durch Drehung um die Mittelachse des Rotors übergeht. Es kann leicht festgestellt werden, daß mit einer solchen Anordnung folgende Ergebnisse erzielt werden:

1. Wenn man einen Grundrotor A (Fig. 4) mit zwei identischen, aber im Verhältnis zueinander umgekehrten (relative Anordnung der Pig. 2 und 3) Platten 14 umgibt, sind die Nuten 13 der Platten um einen Winkel 2 (X verschoben.

2. Wenn man daraufhin zwei Rotoren B und C aneinander anordnet, die untereinander identisch sind, ausgenommen, daß die Platten des einen Grundrotors um 90° im Verhältnis zu der Gesamtheit des Läufersterns und der Polschuhe verschoben sind, werden sich die Köpfe 17 der Nieten 12 in die Löcher 15 (oder 16) mit großem Durchmesser der benachbarten Platte des anderen Grundrotors erstrecken, wenn die Nuten der beiden Platten ausgerichtet sind, wodurch die korrekte Indexierung der beiden betrachteten Grundrotoren garantiert wird.

3. In dem schließlich erhaltenen, zusammengesetzten Rotor stellt jede Nute einen Durchgang aufeinanderfolgender

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Treppen geringer Größe dar, der, wenn der Grundwinkel vernünftig ausgewählt ist, das Äquivalent einer schrägen Nut mit um einen Schritt verschobenen Ende darstellt, wobei dies erzielt wird, ohne daß irgendeine der Grundverschiebungen einer merklichen Einschnürung des Querschnitts der N"ut entspricht.

Unter diesen Bedingungen können die Stäbe 18 des Käfigs leicht durch Gießen hergestellt werden, während der Stator mit longitudinalen Nuten versehen ist, was die mechanische Wicklung erleichtert.

In den Fig. 5 bis 7 ist eine andere Ausführungsform für einen Motor mit sieben Polen gezeigt. Hierbei hat der Läuferstern 2 offensichtlich sechs Arme. Er kann.aus massivem normalen Flußstahl hergestellt sein und auf der Welle verteilt oder mit dieser einstückig ausgebildet sein, wobei seine Ausführung in lameliierter Form keineswegs ausgeschlossen ist. Die Räume, welche die aufeinanderfolgenden Arme dieses Läufersterns trennen, haben ein kreisbogenförmiges Profil und jeder nimmt einen einzigen Magneten 6 auf, der als Äquivalent der beiden aufeinanderfolgenden Magnete 6 der vorhergehenden Ausführungsform betrachtet werden kann. Die Polschuhe 8 sind entsprechend ausgebildet; sie sind hierbei noch durch Querstreben oder Nieten 12 gehalten. Darüber hinaus sind die Nuten 4 kreisförmig ausgebildet, da dieses Profil in einem massiven Stück leichter ausgebildet werden kann. Wie in Fig. 6 angedeutet ist, weist der Rotor eine Reihe von Elementen mit geringer Größe auf, die im Gegensatz zu dem Fall der Fig. 1 bis 4 untereinander durch einen kleinen Zwischenraum getrennt sind, welcher die Nietköpfe der Querstreben 12 aufnimmt. Die Stäbe 18 des Käfigankers sind geradlinig ausgebildet und in den Nuten gelagert anstelle eines Gießens vor Ort, wie bei der vorher-

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gehenden Ausführungsform. Darüber hinaus ist ein Kurzschlußring 19 dargestellt. Wenn eine schräge Ausführung der Buten gewünscht wird, kann diese auf dem Stator erreicht werden.

Bei einer solchen Konstruktion können die Magnete 6 nach Montage der Polschuhe vor Ort gleiten. Um ihre Position zu sichern, kann man in jeder Platte 14 eine kleine, durch zwei Schlitze 21 begrenzte Lasche 20 (Pig. 7) vorsehen, die über das Ende des entsprechenden Magneten umgebogen wird, wenn dieser montiert ist.

Es können verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Ausführung sf οrmen vorgenommen werden. So kann irgendeine Anzahl von Polen gewählt werden. Die Ausrichtung der Magnete kann derart gewählt werden, daß der Pluß des Rotors durch die Enden der Arme des Lauf er sterns und niclr^mehr durch die Zwischenbauteile verläuft, wobei die Enden zu diesem Zweck nunmehr größer ausgebildet sind. Die peripheren Nuten können offen sein. Der Käferanker kann durch eine Wicklung mit im Bedarfsfall auf der Welle befestigten Verbindungsringen ersetzt werden· Die Querstreben können am Ende mit Gewinde versehen sein, um Muttern aufzunehmen, oder die Form einer Schraube aufweisen, die sich in eine der Platten einschraubt.

Selbstverständlich kann die elektrische Maschine, welche einen Rotor der oben beschriebenen Art aufweist, auch als Wechselstromgenerator, wenn dies gewünscht ist, arbeiten.

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Claims

Patentansprüche

[ 1.1 Rotor für einen selbstsynchronisierbaren Synchronmotor, V_/ gekennzeichnet durch ein den magnetischen Fluß leitendes Bauteil in Form eines Läufersterns (1, 2) mit einer Anzahl von Armen (1), wobei das Bauteil drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, flache Permanentmagnete (6), die gegen die Seitenflächen eines jeden Armes (1 ) des Läufersterns stoßen, Zwischenbauteile (8), die zwischen den aufeinanderfolgenden Armen (1) des läufersterns derart angeordnet sind, daß sie gegen die den Armen (1) entgegengesetzten Seitenflächen der Magnete (6) stoßen, wobei die Magnete (6) derart ausgerichtet sind, um eine Reihe von alternierenden Polen auf dem Umfang des Rotors zu bilden, und durch einen Käfiganker, dessen Stäbe (18) am Umfang der Zwischenbauteile (8) und/oder der Arme (1) des Läufersterns angeordnete Nuten durchqueren.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegen die Seitenflächen eines jeden Armes (1) des Läufersterns stoßenden Magnete (6) untereinander bezüglich ihrer Polarität im umgekehrten Sinn ausgerichtet sind, derart, daß die Pole des Rotors rechtwinklig zu den Zwischenbauteilen (8) auftreten, die daher die Rolle von Polschuhen einnehmen.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbauteile (8) am Pfefcz gehalten werden durch

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longtudinale Querstre"ben (12), welche seitliche Platten (14) durchqueren, an denen sie z.B. durch Nietung befestigt sind.
4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor von einer Folge von Grundrotoren (A, B, C) gebildet wird, von denen jeder zwei seitliche Platten (14) und Querstreben (12) aufweist.
5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Grundrotoren, deren benachbarte Platten (14) in Berührung stehen, geringfügig zueinander derart verschoben sind, daß jede Nut ein Profil aufeinanderfolgender Treppen geringer Größe aufweist und daher das Äquivalent einer schrägen Nut darstellt.
6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (14) Löcher (15, 16) für den Durchgang der Verbindungsquerstreben (12) des betrachteten Grundrotors und Löcher (16, 15) größeren Durchmessers zur Aufnahme der Nietköpfe (17) der Querstreben des benachbarten Grundrotors aufweist.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6) durch Nasen (5) der Arme (1) des Läufersterns und/oder die Polschuhe (8) zurückgehalten werden.
8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6) durch im Umfang der seitlichen Platten (14) ausgeschnittene und sachgemäß umgebogene Laschen (20) zurückgehalten werden.

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9. Rotor nach, einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (6) eine ebene Form aufweisen, wobei die Basis eines jeden Zwischenbauteils (8) von zwei Magneten (6) zwischen diesen eingeschlossen ist·

ΰ. Rot or nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen zwei Armen (1) des Läufersterns angeordnete Raum ein Kreisbogenprofil aufweist, um einen einzigen, gekrümmten Magneten (6) aufzunehmen, der die Basis eines Zwischenbauteils (8) mitentsprechendem Profil umschließt (Pig. 5).

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